JP2022079262A - ナット - Google Patents

Abstract

【課題】ナットを母材に締結する際にナットの損傷がなく、締結後のナットが他の部品の組立時に障害とならないように生産性を向上させる。【解決手段】ナット自体により母材を穿孔する円筒形状のナットであって、前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、前記円筒形状の両端の外径が所定の曲率を有している２つの端部と、前記２つの端部の間に位置し、前記２つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、前記ナットの高さは前記母材の厚さと同じである、ナットにより、上記課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、ナットに関し、特に、ナット自体により母材を穿孔するセルフパンチングナットに関する。

従来、鋼板などの母材に対してナットを締結する場合、母材に下孔を開けてねじ加工を施すか、同じく下孔を開けてナットを溶接していた。下孔を開けることを伴うねじ加工やナット溶接は生産性が悪く、また溶接時のスパッタ発生によりねじ部の損傷が起こるといった問題点がある。また、ナットを溶接すると母材より凸となり、他の部品の組立時に障害となることがある。
この点、特許文献１のように、母材に形成された孔に押し込んで固定し、ボルト等のねじ部材をねじ止めするのに使用する圧入ナットが知られている。しかしながら、このような圧入ナットも母材より凸となる構成に基づいており、他の部品の組立時に障害となることがあり得る。

特開２０１３－１１３３９６号

従って、本発明の目的は、ナットを母材に締結する際にナットの損傷を防ぎ、生産性を向上させることである。また、締結後のナットが他の部品の組立時に障害とならないようにすることである。

この目的を達成するため、本発明の１つの態様は、
ナット自体により母材を穿孔する円筒形状のナットであって、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している２つの端部と、
前記２つの端部の間に位置し、前記２つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
前記ナットの高さは前記母材の厚さと同じである、
ナットである。

前記ナットにおいて、好ましくは、前記２つの端部の各々が有する前記所定の曲率は、同一である。

前記ナットにおいて、好ましくは、ナット自体により母材を穿孔する際に、前記所定の曲率を有している前記２つの端部は、前記ストレート部の外径よりも小さい孔を前記母材に開けるように機能する。

本発明の別の態様は、
パンチを用いて円筒形状のナットにより母材を穿孔する方法であって、
前記ナットは、
前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している２つの端部と、
前記２つの端部の間に位置し、前記２つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
前記ナットの前記２つの端部の一方を前記パンチにより母材に押し込み、前記母材に前記ストレート部より小さな孔を開けて前記ナットを挿入することにより、前記ナットと前記母材とを締結する、
方法である。

前記方法において、好ましくは、前記母材は、前記ナットの外径より大きい径の孔を有するダイスの上に配置されており、
前記ナットの前記ストレート部の外径の大きさと、前記ダイスの前記孔の径の大きさとの差に相当するクリアランスを設けるように、前記ナットは前記母材にセットされており、
締結時に、前記母材のスクラップは、前記ダイスの前記孔を介して押し出される。

本発明によれば、母材に締結する際に下孔加工が不要なナットを提供することができる。また、本発明によれば、ナットを母材に締結する際の溶接が不要となり、ナットのねじ部の損傷を低減することができる。また、本発明によれば、ナットを母材に締結する際に母材の厚みとナットの高さを同一にすることにより、ナットが母材より凸となることを防ぎ、ナットが他部品の組立時に障害となることを低減することができる。

本発明の実施形態によるセルフパンチングナットの斜視図である。 図１のセルフパンチングナットの断面図及び上面図である。 図１のセルフパンチングナットを鋼板に利用した様子を示す図である。 本発明の実施形態によるセルフパンチングナットを用いた接合メカニズムを示す図である。 セルフパンチングナットの鋼板に対するストロークと接合荷重の関係を示している。 鋼板の板厚と最大押し戻し荷重（ｋＮ）との関係を示している。 セルフパンチングナットの鋼板に対するストロークと接合荷重の関係を示している。 セルフパンチングナットの丸みＲと最大押し戻し荷重（ｋＮ）との関係を示している。 セルフパンチングナットの丸みＲと鋼板の接合面のだれ、しごき面及び破断面の切口面構成比との関係を示している。 クリアランスに対するストローク（ｍｍ）と押し戻し荷重（ｋＮ）の関係を示している。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

[セルフパンチングナットの構成]
図１は、本発明の実施形態によるセルフパンチングナット１００の斜視図である。図２（ａ）は、図１のセルフパンチングナット１００のII（ａ）－II（ａ）の断面図である。図２（ｂ）は、セルフパンチングナット１００の上面図である。本実施例に係るセルフパンチングナット１００は、ナット自体で穿孔することができるものであり、図３に示すように、例えば、鋼板２２０の穴抜き接合に用いることができる。

セルフパンチングナット１００は、外径１６０及び高さ１７０で構成される円筒形状であり、内部にねじ部１２０が形成されている。ねじ部１２０の径１５０は、例えば、Ｍ６とすることができる。セルフパンチングナット１００は、外径が多角形の形状ではなく円筒形状とすることにより、鋼板２２０に挿入する際のセルフパンチングナット１００の側面に対して与えられる力が全方位で均等になり、ねじ部１２０が鋼板２２０に挿入しやすくなると共にねじ部１２０が変形することを防止し得る。セルフパンチングナット１００は、円筒形状の両端の角部（外径端部１４０）に所定の曲率により丸みがつけられている。また、セルフパンチングナット１００は、上下の外径端部１４０の間に位置し、上下の外径端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部を有している。すなわち、上面及び下面の外径端部１４０は、所定の曲率を有しており、上面及び下面からストレート部にかけて徐々に外径が大きくなるように構成されている。

ただ単に外径ストレート形状のナットで母材である厚鋼板を穿孔すると、ナットよりもダイス穴径が大きいためナットよりも大きな穴が開いてナットは鋼板に締結しない。これに対して、本発明では、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０に丸みを設けることにより、丸みが設けられた外径端部１４０の間の側面がストレート形状でも、外径端部１４０がナットの外径よりも小さな孔を母材に開けてナットを挿入し、ナット自体で穿孔することができ、後述するように、弾性回復によるしごき効果により実用的な強度で締結可能である。

上述の通り、本発明に係るセルフパンチングナット１００は、ナット自体で穿孔するため、下孔加工が不要である。

また、セルフパンチングナット１００は、外径端部１４０の丸みが円筒形状の両端で同一に形成されている。このように構成することにより、セルフパンチングナット１００の上下が対称な形状となることから、外径端部１４０からストレート形状にすることにより方向性を無くし、使用時に上下を考慮せずに厚鋼板にセットすることができ、施工時の利便性を高めることができる。

また、セルフパンチングナット１００の高さ１７０は母材である鋼板２２０の厚さと同じである。鋼板２２０の厚みとセルフパンチングナット１００の高さ１７０を同一にすると共に溶接を伴わない締結とすることにより、セルフパンチングナット１００は母材より凸とならず、セルフパンチングナット１００が他部品の締結時の障害となることを防止することができる。

[接合メカニズム]
図４は、本発明の実施形態によるセルフパンチングナット１００を用いた接合メカニズムを示す図である。

図４（ａ）は、ダイス２４０の上に鋼板２２０をセットした後に、セルフパンチングナット１００を鋼板２２０の上にセットした状態から、パンチ２７０によりセルフパンチングナット１００を鋼板２２０に押し込み始めた様子を示している。この段階では、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０の丸み部分が鋼板２２０に当接することにより、セルフパンチングナット１００のストレート部分の外径よりも少し小さな孔が鋼板２２０に開き始める。なお、ダイス２４０は、後述するように、鋼板２２０のスクラップ２２２を受け入れることができるように、セルフパンチングナット１００の外径よりクリアランス２１０の分だけ大きい内径を有している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への挿入が更に進んだ様子を示している。この段階では、ダイス２４０の内径に沿った鋼板２２０の下面付近からクラック２５０が発生する。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）の状態から、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への挿入が更に進んだ様子を示している。この段階では、図４（ｂ）で発生したクラック２５０の位置に沿って鋼板２２０が穴抜きされ、鋼板２２０のスクラップ２２２がダイス２４０の孔に押し出される。

図４（ａ）に示されるように、セルフパンチングナット１００の外径と、下で鋼板２２０を受けているダイス２４０の孔の径との差であるクリアランス２１０を設けることにより、クラック２５０が図４（ｂ）に示される位置に生じ、その後、図４（ｃ）のようにスクラップ２２２がクラック２５０に沿って押し出すことを可能にする。すなわち、クリアランス２１０により、クラック２５０がセルフパンチングナット１００の外径の外側の位置から生じさせてスクラップ２２２を押し出すように調整することにより、セルフパンチングナット１００のねじ部の変形を使用可能な程度まで減少させることができる。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）の状態から、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への挿入が更に進み、しまりばめによってセルフパンチングナット１００と鋼板２２０が締結された様子を示している。このとき、セルフパンチングナット１００と鋼板２２０は、弾性回復２６０によるしごき効果により実用的な強度で締結される。セルフパンチングナット１００は、外径端部１４０の丸みを利用して鋼板２２０に挿入されることにより、鋼板２２０の貫通孔の径がセルフパンチングナット１００の外径よりもわずかに小さく形成され、弾性回復２６０によるしごき効果を利用することが可能となり、これにより、セルフパンチングナット１００と鋼板２２０の締結力を実用的な強度レベルに高めることが可能となる。すなわち、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０に丸みを設けることにより、鋼板２２０に下孔を開けておくことなく、丸みが設けられた外径端部１４０の間の外径がストレート形状でも、外径端部がナットの外径よりも小さな孔を母材に開けてナットを挿入することができ、かつ、セルフパンチングナット１００と鋼板２２０の必要な締結力を実現することができる。

[接合に必要なセルフパンチングナットと鋼板の前提条件]
上述の通り、セルフパンチングナット１００が、ナット自体で穿孔するために、本発明では、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０に丸みを設けている。この点、ナット自体で穿孔し、かつ、ナットとして機能するためには、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への挿入において、セルフパンチングナット１００のねじ部が変形しないことが条件となる。

セルフパンチングナット１００のねじ部１２０が変形することなくセルフパンチングナット１００が鋼板２２０を打抜ける条件は、以下のとおり示すことができる。

式（１）の左辺は、セルフパンチングナット１００が受ける荷重を示しており、右辺は、せん断荷重を示している。Ｈnは、セルフパンチングナット１００のビッカース硬さ、ｄｏ及びｄｉは、それぞれ、セルフパンチングナット１００の外径及び内径、Ｈsは、鋼板２２０のビッカース硬さ、ｔは、鋼板２２０の板厚を示している。

式（１）の関係によれば、セルフパンチングナット１００の外径ｄｏが大きく、また、板厚ｔが小さい場合にはセルフパンチングナット１００のねじ部１２０が変形することなくセルフパンチングナット１００を打抜けることになる。

ここで、式（１）のパラメータについて、一例として、セルフパンチングナット１００の内径ｄｉをＭ６とし、セルフパンチングナット１００のビッカース硬さを５３０ＨＶとし、鋼板のビッカース硬さを１８０ＨＶとする条件の下で、セルフパンチングナット１００の外径と鋼板の板厚の設定について検討する。

上記の条件の下、例えば、鋼板２２０の板厚が８ｍｍのとき、外径を１０ｍｍとすると、上記の式（１）を満たさなくなるが、外径を１１ｍｍとすると、上記の式（１）を満たす。したがって、外径の設定として、この例では、鋼板２２０の板厚が８ｍｍのとき、外径は少なくとも１１ｍｍ程度は必要であることがわかる。なお、図５は、外径を１１ｍｍ及び１２ｍｍとしたセルフパンチングナット１００のそれぞれを鋼板に挿入したときのストローク（ｍｍ）に対する接合荷重（ｋＮ）を示したグラフである。図５に示されるように、外径が１１ｍｍ及び１２ｍｍのいずれの場合も、セルフパンチングナット１００が鋼板２２０を打ち抜く際のストロークが４ｍｍ、すなわち、セルフパンチングナット１００が鋼板２２０に対して半分程度まで挿入されたときに接合荷重が最大になる。

図６は、上記の条件の下、外径を１１ｍｍ及び１２ｍｍとしたセルフパンチングナット１００のそれぞれを鋼板２２０に挿入したときの鋼板２２０の板厚に対する最大押し戻し荷重（ｋＮ）を示したグラフである。押し戻し荷重は、セルフパンチングナット１００を鋼板２２０に締結した状態で、パンチ２７０によりセルフパンチングナット１００を鋼板２２０の裏側から押し戻したときにかかる荷重である。図６に示されるように、鋼板２２０の厚板が３ｍｍでは、最大押し戻し荷重がＪＩＳ規格で定められる３．２４ｋＮを下回っている。図６を参照すると、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への適切な締結力を有するためには、厚板が４ｍｍ程度は少なくとも必要であることが理解される。したがって、本発明では、上述の通り、セルフパンチングナット１００の高さと鋼板２２０の厚みを同じにするため、上記の条件では、セルフパンチングナット１００の高さは、少なくとも４ｍｍ程度は必要である。

なお、他の実施例では、これに限定されるものではないが、セルフパンチングナット１００の高さ（鋼板２２０の厚み）は、５ｍｍから１５ｍｍ程度を想定することができる。また、セルフパンチングナット１００の硬度は、５３０ＨＶから６００ＨＶ程度を想定することができる。この点、上記の式（１）の通り、鋼板２２０の硬度によって、セルフパンチングナット１００が変形し、ねじ部が使用不可なものとなる可能性があるため、セルフパンチングナット１００の硬度と鋼板２２０の強度のバランスを図ることが必要である。

[丸みＲの設定]
図７は、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０の丸みＲを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍとしたときの各々について、ストローク（ｍｍ）に対する接合荷重（ｋＮ）を示している。

この例では、上記の条件の下、セルフパンチングナット１００の外径を１２ｍｍとし、鋼板２２０の板厚を８ｍｍとした。図７に示されるように、ストロークが４ｍｍ以上、すなわち、鋼板２２０に孔が開いた状態では、Ｒの値が大きいときの方が、接合荷重が大きく、セルフパンチングナット１００の鋼板２２０への締結の強度を高めることができる。これは、Ｒの値が大きさと鋼板２２０の孔の大きさとは反比例の関係にあり、Ｒの値が大きいほど、鋼板２２０に開く孔の大きさが小さくなり、弾性回復によるしごき効果が大きくなるからである。

図８は、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０の丸みＲを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍとしたときの各々についての最大押し戻し荷重（ｋＮ）を示している。図８からわかるように、Ｒ＝０．５のようにＲの値が小さいときは、最大押し戻し荷重は小さい。Ｒ＝０．５では、ＪＩＳ規格で定められる３．２４ｋＮを下回っており、この実施例では、Ｒ＝１．０又はＲ＝１．５であれば実現可能である。なお、Ｒが更に大きくなり、例えば、Ｒ＝２．０になると、バリが発生し、締結時にセルフパンチングナット１００の高さと鋼板２２０の厚さとが同一とならなくなるということも生じ得る。この実施例のように、Ｒの値が１．０又は１．５程度であれば、適正なＲとして良好な締結が行える。

図９は、セルフパンチングナット１００の外径端部１４０の丸みＲを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍとしたときの各々について、鋼板２２０の接合面のだれ、しごき面及び破断面の切口面構成比を示している。しごき面は、弾性回復によるしごき効果を奏する領域であり、破断面は、鋼板２２０に生じたクラックにほぼ沿った領域である。Ｒの値が大きいほど、しごき面が大きくなっており、弾性回復によるしごき効果を奏する領域が大きく、締結力を向上させることが理解される。

図１０は、クリアランスを板厚の１０％と１５％のそれぞれとしたときの各々について、ストローク（ｍｍ）に対する押し戻し荷重（ｋＮ）を示している。この例では、上記の条件と同様の条件の下、鋼板２２０の板厚を８ｍｍとした。板厚８ｍｍの１０％のクリアランス（C＝１０％）は、０．８ｍｍであり、ここでは、ダイスの穴径を１３．６ｍｍ、セルフパンチングナット１００の外径を１２．０ｍｍとして、（ダイス１３．６ｍｍ－外径１２．０ｍｍ）／２＝クリアランス０．８ｍｍと設定した。また、板厚８ｍｍの１５％のクリアランス（C＝１５％）は、１．２ｍｍであり、ここでは、ダイスの穴径を１３．６ｍｍ、セルフパンチングナット１００の外径を１１．２ｍｍとして、（ダイス１３．６ｍｍ－外径１１．２ｍｍ）／２＝クリアランス１．２ｍｍと設定した。
押し戻し荷重は、上述したように、この場合も、セルフパンチングナット１００を鋼板２２０に締結した状態で、パンチ２７０によりセルフパンチングナット１００を鋼板２２０の裏側から押し戻したときにかかる荷重である。図１０に示される通り、板厚に対するクリアランスについて、板厚の１０％のクリアランス（C＝１０％）の方が、板厚の１５％のクリアランス（C＝１５％）より、押し戻し開始時の押し戻し荷重が大きく、締結力が高いことが理解される。これは、クリアランスが大きくなると母材に開けられる穴が大きくなって締結力が減少するためである。したがって、板厚が８ｍｍ程度のときは、クリアランスは、板厚の１０％程度であると良好な締結が可能となる。

以上のように、本発明に係るセルフパンチングナットの実施の一形態及び実施例について説明してきたが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、これに種々の変更を加え得るものであることは容易に理解される。そして、それらが特許請求の範囲の各請求項に記載した事項、及びそれと均等な事項の範囲内にある限り、当然に本発明の技術的範囲に含まれる。上記の実施例は、所定の寸法を有するセルフパンチングナットを対象とするものであったが、これはあくまでも一例であり、本発明がこの特定の具体例に限定されるものではない。

１００ セルフパンチングナット
１２０ ねじ部
１４０ セルフパンチングナットの外径端部
１５０ ねじ部の径
１６０ セルフパンチングナットの外径
１７０ セルフパンチングナットの高さ
２００ 板押え
２２０ 鋼板
２２２ スクラップ
２４０ ダイス
２５０ クラック
２６０ 弾性回復
２７０ パンチ

Claims (5)

1. ナット自体により母材を穿孔する円筒形状のナットであって、
   前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
   前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している２つの端部と、
   前記２つの端部の間に位置し、前記２つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
   前記ナットの高さは前記母材の厚さと同じである、
   ナット。
2. 前記２つの端部の各々が有する前記所定の曲率は、同一である、請求項１に記載のナット。
3. ナット自体により母材を穿孔する際に、前記所定の曲率を有している前記２つの端部は、前記ストレート部の外径よりも小さい孔を前記母材に開けるように機能する、請求項１又は２に記載のナット。
4. パンチを用いて円筒形状のナットにより母材を穿孔する方法であって、
   前記ナットは、
   前記円筒形状の内面に形成されたねじ部と、
   前記円筒形状の両端にあり、外径が所定の曲率を有している２つの端部と、
   前記２つの端部の間に位置し、前記２つの端部の外径より大きな一定の外径を有するストレート部とを備え、
   前記ナットの前記２つの端部の一方を前記パンチにより母材に押し込み、前記母材に前記ストレート部より小さな孔を開けて前記ナットを挿入することにより、前記ナットと前記母材とを締結する、
   方法。
5. 前記母材は、前記ナットの外径より大きい径の孔を有するダイスの上に配置されており、
   前記ナットの前記ストレート部の外径の大きさと、前記ダイスの前記孔の径の大きさとの差に相当するクリアランスを設けるように、前記ナットは前記母材にセットされており、
   締結時に、前記母材のスクラップは、前記ダイスの前記孔を介して押し出される
   請求項４に記載の方法。

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